Telemetría Ambiental Con Cohete De Agua: 8 Steps

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Hola soy Fabián Picado García y quiero mostrar cómo elaborar un sistema de telemetría ambiental mitjançant el empleo de un cohete de agua, lo que implica que nos enfocaremos en la construcción de dos componentes:

a) primer, un cohete i la seva base de llançament; y

b) després, un sistema de recol·lecció de dades incorporades al cohete.

D'aquesta forma, concretem el principal objectiu d'aquest projecte, consistent en:

- Medir la concentració de monòxid de carboni (CO) en l’aire segons l’altitud i lloc geogràfic mitjançant un cohete d’aigua, per establir el seu possible impacte tòxic en les aves.

Como ya lo habrán notado, es una meta bastant ambiciosa però realitzable. Per fer-ho debem recol·lectar diferents dades (per exemple les variacions de pressió i en l’acceleració) i, finalment, identificar la concentració a l’aire del gas citat (CO), per així establir els seus efectes.

Una cosa si és segura, al terme contarem amb un sistema de telemetría amb un cost aproximat de sesenta mil colons i de gran interès ambiental, mar per aportar amb la preservació del nostre llar: el planeta Tierra.

Ahora sí, ¡mans a la obra!

Pas 1: materials indispensables

Materials:

1. Un sensor de pressió baromètrica. * Veure:

2. Un acelerómetro. * Ver:

3. Un sensor de gas de monóxido de carbono. Ver:

4. Arduino UNO. Veure:

5. Un Adafruit Featther MO. * Ver:

6. Un emissor i receptor (2 antenes de cable de coure *). Veure:

7. Tres breadboards (amb les següents dimensions: verd d’1,5 x 2 cm i blanca de 83 x 54,5 cm). Veure: a) https://www.crcibernetica.com/clear-breadboard-8-3… b)

8. Láminas MDF de 3 mm de grosor per als corts láser.

9. Tornillos M3X25 i M2X12.

10. Una pantalla LCD. Veure:

11. Dos cables USB (tipus B i tipus Micro USB).

12. Dos botelles de plàstic de 3 litres (usades per refrescos).

13. Una botella de plàstic de 2,5 litres (usada per refresco).

14. La mitad d’una esfera plàstica, hueca i de 45 mm de diàmetre.

15. Una bolsa plàstica per a basura.

16. Un rollo de pábilo.

17. Una cinta adhesiva i un rotlle de cinta elèctrica.

18. Dos litres d’aigua.

19. Una targeta de memòria Micro SD i adaptador SD.

20. Per a la base de llançament del cohete, ocuparem: 2 tubs de PVC de 1/2 "de 6 metres, 3 unions tipus T de 1/2" PVC, 3 tapons de 1/2 "PVC per vendre els tubs, unió de PVC de 2”(llançador), 8 gases plàstiques, 2 gases metàl·liques, trozo de botella plàstica de 2,5 litres (sobrant de la utilitzada), pegament per a PVC i vàlvula per a arro de carro.

* Nota: estas piezas requieren de soldadura previa en sus pines.

1. Herramientas: 1. Cautín y soldadura de esteño. 2. Desatornillador. 3. Alicats. 4. Tijeras. 5. Regla. 6. Llave Allen (per ajustar tornillos). 7. Cortador o cuchilla. 8. Marcador. 9. Computadora (portàtil recomanable). 10. Un inflador per a bicicleta de 100 PSI.

Pas 2: Cortar El Cohete

En aquesta etapa construirem els mòduls, el cono i el paracaídas del cohete. Empezaremos por el compartimiento denominado módulo 2 de mediciones porque aquí se almacenará el sistema de telemetría. Para su elaboración tomamos una de las dos botellas de 3 litros (preferiblemente estas botellas han de tener el cilindro con una superficie lisa) y cortamos con la cuchilla donde termina la superficie plana, en la parte inferior; és dir, aproximadament de la boca de la botella a dit punt es miden 31 cm (on es marca en la imatge), cortant-se en línia recta i al voltant de tot el perímetre. Lo que nos interesa conservar es el cilindro pues la parte inferior cortada se desecha. A més, per obtenir l’anivellament de la pressió necessària del sensor, s’ha d’obrir en aquest mòdul 2 una ventana que s’ubiqui en la part dels mitjans de la botella, específicament a una distància de 13 cm de la seva boca. La ventana es fa en forma rectangular, dibuixant-se amb el marcador amb una dimensió de 4,5 cm x 7 cm i per realitzar els quatre corts amb la cuixa que recomanen introduir dins de la botella una base o suport sòlid i encima d’aquesta blanca. para que se pueda distinguir el rectángulo marcado. Després de cobrir els límits amb cinta elèctrica per evitar accidents.

Al segon compartiment le llamamos módulo 1 de propulsión porque es el que impulsa el cohete durant el despegue. La seva elaboració és molt senzilla perquè s’utilitza la botella en sí, sense afegir ni fer cap canvi o modificació. Així sí, és fonamental cerciorar-se que no conté cap tipus d’agujero o filtració perquè aquí es vaciaran els 2 litres d’aigua abans del despegue; líquid que funcionarà com a combustible del cohete.

Cono del cohete: se elabora con la tercera botella de 2,5 litros, midiéndose 12 cm desde la boca de la botella hacia su base, punt en el qual es realitza un tall amb la cuixa en línia recta i al voltant de tot el diàmetre (com es mostra en la imatge). Posteriorment, tomem la peça que conté la boca de la botella (la resta es pot utilitzar a la base de llançament) i tapem la darrera amb la mitad de l’esfera de 45 mm de diàmetre. La esfera se adhiere a la tapa con tape electric, dándole dos vueltas para que se sujete bien.

Paracaídas: és el component que amortitza l’aterrissatge, per a la seva construcció usem una borsa plàstica per a base rectangular de 45 cm x 50 cm, el qual en el meu cas difiere de les comunitats degut a la seva forma distinta en la part inferior (ver imagen). Sin embargo, en la eventualidad de no conseguir este tipo, la solución es adaptará a cualquier bolsa de plástico del supermercado y cuyo tamaño sea de aproximadamente 29 cm x 47 cm (incluyendo en la última medida las agarraderas). Primer, acomodar-se a la bossa introduint els plecs dels llats per a què es quedi amb la forma rectangular indicada (conforme ve empacada quan encara no ha estat usada i s’aprecia a la foto). Després li cortan les asas o las agarraderas, doblan la bolsa a la mitad, unen amb cinta adhesiva ambdues parts per la vora inferior i la volta d’afuera cap al centre, de manera tal que la unió realitzada quedi al intern de la borsa i la llista para ser usada. (Veure les imatges)

Luego nos ubicamos en la parte superior de la bolsa (por donde usualmente se introducen los objetos en esta) y hacemos cinco aberturas, de modo que el perímetro de la bolsa (que por cierto es mayor en ese borde que en el inferior debido a las porcions doblades no ha estat utilitzat) se divideix i identifica amb el marcador en cinc fraccions, per obtenir l’espai entre cada obertura que realitzem. La bolsa que empleo mide 90 cm de perímetro (longitud similar a la que presenta la bolsa adaptada), per lo que marqué 18 cm de espaciado. A més, cada obertura es farà efectiva amb la tijera, de manera que iniciam el tall en el bord superior cap al bord inferior de la bossa, fins assolir 20 cm de longitud; per lo que, una vegada cortades totes les obertures, es generen 5 franges en la borsa. Després, tomamos el pábilo y cortamos un segmento de 70 cm, el cual atamos en el extrem superior de la primera franja de la bolsa, Per fer-ho inscrivim la base inferior de la franja, col·locem el pábilo a una distància de 7 cm del borde, lo pasamos alrededor del rollo, le hacemos un nudo; luego le damos una vuelta más y hacemos un segundo nudo. Seguim aquest procediment amb les quatre franges restants (segons la seqüència fotogràfica).

Per últim, juntem els cinc segments de pàbilo i sobre ells muntem un sexto segment de pàbilo de 60 cm. Fes-nos un nudo amb tots els hilos, el que ha de quedar bé ferm. El extrem final del pábilo se enrolla dos veces en la boca de la botella del mòdul 2 y, luego, para unir el paracaídas con el compartimiento de mediciones hacemos otro nudo (com es aprecia en las imágenes).

Pas 3: Connexions Elèctriques (Receptor)

Llegó el moment de realitzar les connexions elèctriques entre la pantalla LCD i la placa de prototipat o breadboard, amb el fi de rebre la senyal sobre l’inici de les medicions.

En primer lloc, unimos los cables de la pantalla LCD con el Arduino UNO y la placa de prototipado (según el video). Respecte a això és important fer dues observacions:

a) Aclarir que per a les connexions de la pantalla ens basem en el text: "El llibre de projectes d'Arduino" (2014, p.116) i per a la connexió de cada pin consultem la hoja de dades del receptor. Veure:

b) En la connexió de la pantalla seguirem l’identificació de l’Arduino UNO (com es veu en la imatge adjunta); sin embargo, los recomiendo cambiar el potenciómetro por una resistencia fija con un valor de 10 k y conectamos a GND (divisor de tensión), per lo que no es recomana utilitzar l'element propòsit en el llibre llibre, amb el seu ajut es manual. Lo anterior con el fin de que el brillo de la pantalla se mantenga constante sin requerir ajustos.

En segon ordre, donat que és necessària la protecció i estabilitat de la placa de prototipat amb les seves connexions, també vamos a elaborar el que anomenem una "caixa receptora", la qual té forma de prisma rectangular de 150 x 80 x 80 mm. El procediment per construir la caixa descrita és mitjançant els corts en làser de les llàmines MDF (de 3 mm de grosor). Descarregueu el següent arxiu que conté les formes amb els corts en làser. Debo indicar que el contorno de las caras del prisma está basado en el diseño elaborado por Thomas de Camino. Veure:

Arxiu:

Quan tenim llistats els corts de la caixa, en una de les cares de 150 x 80 mm ha d’empotrar la pantalla LCD, passant primer els cables per una ranura rectangular, per després atornillar (amb tornells M3) la pantalla (veure el vídeo). Amb la placa de prototipat i els seus circuits ja acabats, procedim a colocar el receptor i la seva antena. L’última debem fer-la manualment perquè si bé a la data de dades sí es visualitza com a part del kit d’emissor i receptor, el que és és que no venia en el producte comprès i per ello, tenim que construir. Amb aquest propòsit les recomanem inscriure un alambre de coure en una peça cilíndrica de 5 mm de diàmetre (jo utilitzo una peça de Lego però poden utilitzar-se un lapiz, lapicero, etc.). La antena és de 21 espires i es deixa un espai de 2 cm per soldar-lo en el receptor i així lograr millor manipulació i funcionament (ver el detalle en la secuencia fotográfica).

Per a la instal·lació de l’antena al receptor tomé com a model la hoja de dades abans referida, però connectant el pin de "data" en l’entrada digital 8 del Arduino UNO perquè en la hoja lo ubican en el pin 2, el qual ja està ocupat.

Tenint col·locat el receptor i l'antena, introduïm la placa del prototipat que ha de quedar al davant dels pins de les salides d'alimentació de l'Arduino UNO; és dir, en posició paral·lela a la paret on s’empotra la pantalla dins de la caixa receptora, per al qual s’engranarà les restants parades de la caixa. En la paret posterior s’ha de deixar la previsió per a la connexió de USB en la ranura quadrada i el rectangular per a la sortida de l’antena. (Veure el vídeo).

Pas 4: Connexions Elèctriques (A Bordo Del Cohete)

En aquesta etapa vamos a ensamblar el sistema de telemetría que se introduce posteriormente en el módulo 2 del cohete.

Inicialment empotramos el microcontrolador o l’Adafruit feather M0, el sensor de pressió baromètrica, el sensor de gas MQ-7 i les corresponents breadboard, mar per establir les connexions entre sí.

Ante lo dicho ocuparemos una estructura a la cual adherir los indicados componentes. Amb aquest propòsit dissenyat una forma cilíndrica integrada per dos discos de 115 mm de diàmetre i una peça rectangular de 70 x 50 mm; adjuntant-se l'arxiu per al tall làser. Arxiu:

Tomamos la pieza rectangular y con la ayuda de los tornillos M2 subjecte cada un dels components en el seu respectiu espai. Per al tema subjecte la peça de MDF de forma tal que les obertures dels dos rectànguls paral·lels es posicionen en el bord superior esquerre i seguidament, col·locem el microcontrolador amb l’USB cap a baix, agregant quatre espaciadors per a quin ús útils circulars de Lego, però també poden utilitzar-se tuercas o qualsevol altre element funcional. D'aquesta manera se li dóna la separació necessària per facilitar la seva connexió posterior. Després de posar el sensor de pressió i així, de manera sucesiva, els components restants, tot segons la imatge. Els suggerim pegar les breadboard amb cinta elèctrica (encara que igual pot emplearse goma, silicona o similars) i colocar la memòria abans del microcontrolador perquè, del contrari, la tapa inferior no ho permet.

Luego tomamos una de las dos tapas circulares, específicamente la que tiene varios agujeros, y la ponemos en la parte superior, o sea por encima del Adafruit feather M0. En els agujeros de dicha tapa adherimos el acelerómetro y, posteriorment, les respectives breadboards amb les connexions del circuit. La breadboard blanca i la primera breadboard verde en la pieza rectangular. La segona breadboard verde en la tapa superior junt a l’acceleròmetre.

En la breadboard de color blanc connectem el pin de terra del microcontrolador a la part negativa de la taula i el pin USB el connectem a la part positiva. El pin SDA lo conectamos a una de las filas de la bread board color verde; de igual manera, amb el pin SCL.

Per connectar el sensor de pressió el pin Vcc lo insertamos en la columna positiva. De igual manera, amb el pin GND a la columna negativa. Finalment, els pins SDA i SCL es connecten en les seves respectives columnes de la breadboard verde.

En quant al sensor de gas, el pin Vcc ho connecta a la columna positiva i el pin GND en la negativa. Per últim, el pin A0 ho connectem en una de les columnes restants de la breadboard verde i aquesta connectem amb el pin A3 del microcontrolador.

Para el acelerómetro conectamos el pin GND en la columna negativa y el pin Vcc lo conectamos en una de las filas de alimentación de la breadboard verde, luego de aquí al pin 3.3 V de micro controlador. Després, els pins SDA i SCL es unen amb la respectiva columna de la breadboard verde.

Per un altre costat, a la breadboard que col·locem a la part superior connectem l’emissor. El pin Vcc i el pin GND se une amb la columna positiva i negativa de la indicada barra d'alimentació color blanc. Asimisme, el pin de dades ho connectem a l’entrada 11 del microcontrolador.

En resum, les connexions en una de les dos breadboard verds poden observar-se en la imatge adjunta.

Després, pegem la bateria USB a la peça rectangular, davant i en posició vertical. A aquest moment l’únic que ens resta inserir aquesta estructura en el mòdul 2 del cohete, el que es fa manualment i en el moment en què es va iniciar la recol·lecció de dades. La forma d’ingressar-la està ubicant la part on està l’antena de primer. Després s’ha d’alinear amb la ventana que abrimos en aquest compartiment i així lograr la ventilació necessària per quedar-se davant d’un tal ventana permetrà que el sensor de pressió i de gas pugui efectuar les correctes medicions d’altitud i de concentració de CO a l’aire.

Pas 5: Descarregar Los Programas

Ahora debem descarregar els programes en els microcontroladors per a que comencin a funcionar. Amb aquest propòsit ingressarà a la següent pàgina i descarregarà els fitxers denominats: a) emissió de dades, b) recepció de dades yc) les biblioteques necessàries (I2Cdev.zip, MPU6050.zip, Adafruit_BMP280_Library-master.zip i Adafruit_Sensor-master.zip). Archivos:

Dentro de cada programa se incorpora, a una manera de comentario, las correspondientes explicaciones sobre el funcionamiento general de cada uno de ellos.

Per descarregar el programa en el microcontrolador es realitzarà els següents passos:

-Arduino UNO: connectem el cable USB de la caixa receptora a un dels ports USB de la computadora. En el software Arduino IDE des de la pestaña de Herramientas seleccionamos el puerto COM donde el Arduino UNO se conectó (la computadora le indicará dicho puerto). Igual, dins de la pestaña Herramientas, entramos a Placa y seleccionamos Arduino / Genuino UNO (ver captura de pantalla). Finalment, donem clic en subir i es realitza la descàrrega.

-Adafruit feather M0: connectem el cable USB del sistema de telemetría a un dels ports USB de la computadora. Ingresamos al software Arduino IDE y desde la pestaña de Herramientas seleccionamos el puerto COM, on el Adafruit feather M0 es connecta. Nosaltres mantenim en Herramientas, ahí nos dirigimos a Placa y seleccionamos Adafruit feather M0 (ver captura de pantalla). Per finalitzar, donem clic en subir.

Després, per comprobar el treball realitzat des del programari ingressats al monitor sèrie per a cada un dels instruments construïts i verificar els dades en pantalla.

Pas 6: Ensamblar El Cohete Y La Base Del Lanzamiento

Una de les parts més fàcils i emocionants del projecte és quan unim totes les peces del cohete per després donar inici a la medició dels dades requerits.

Comencem amb l’empaque del paracaídas, per al qual doblem la bossa a la mitad i després dividim la franja que es forma en tres porcions. La primera es dobla cap a on estan amarrats els pábilos, després es dobla la segona part en la mateixa direcció. Després, es tomaran tots els pàbils units amb les mans i es rodarà l'última fracció del paracaídas fins que els pábols la rodeen per complet i ja no queda més pàgil per inscriure's. El paquet format es coloca tapant la boca de la botella del mòdul 2, al qual abans havíem atat el paracaídas. Encima se pone el cono presionado la pieza hacia el módulo 2 (com es observa en les imatges).

Posteriorment, correspon ensamblar el mòdul 1 però aquí en forma provisional, de manera definitiva, es realitzarà quan ja es farà efectiu el despegue i hem carregat el líquid que funciona com a "combustible" (com es explica en el següent pas). Per realitzar aquest ensamble la part inferior de la botella s’introdueix una pressió, mar que deixa sujeta per sí mateixa; dins del mòdul 2. Finalment, haurà de reforçar-se amb cinta elèctrica però està acció -com es ha dit- es realitzarà com a últim pas, poc després d’iniciar el vol.

Amb el cohete ja es va concloure només la falta de construir la base de llançament. per al vostre procediment poden visitar les següents pàgines:

-

-

A més, en la imatge adjunta en el següent pas es detallen les parts i mesures que han de prendre-se en compte per a la construcció d’una base similar a la que aquí s’utilitza.

Finalitzada la base de llançament, ajustem l’inflador amb la vàlvula.

Pas 7: Recollecció de dades (Despegue Del Cohete)

Antes de colocar el cohete en la base de llançament llenamos amb dos litres d’aigua, com a combustible (segons s’observa en la imatge), el mòdul 1 de propulsió. Luego se introduce la boca de la botella del módulo 1 en la base de llançament. Després es va ensamblar el mòdul 2 de medicions, col·locant-se encima del mòdul 1 i assegurant-se amb cinta elèctrica en la unió d’ambdós compartiments (amb, al menys, dos torns de cinta). Finalment, se enrolla el paracaídas en la forma ja explicada, aquest es coloca en la boca de la botella del mòdul 2 i es tapa amb el respectiu cono. Cabeu aclarir que el cono únicament es coloca encima sense cap tipus de segur o unió per al que el vent fàcilment es pugui desprendre quan s’inicie l’etapa de regrés a terra.

Preparat el cohete en la base de llançament (quines mesures i components s’observen en la imatge anexa), esperem la senyal enviada pel sistema de telemetría que ens indicarà quan tot estigui preparat per al despegue; esto con el fin de asegurarnos que el equipo funciona correctamente para poder recolectar los datos deseados.

Connecta la caixa receptora a la computadora i ingressa al programari Arduino IDE, seleccionem la targeta Arduino / Genuino UNO, el port COM correspon i entramos al monitor sèrie. Tanto en la computadora com a la pantalla LCD de la caixa receptora se senyalitzarà que el sistema està preparat per a l’obtenció d’informació i automàticament començarà la recol·lecció de dades des de terra.

Amb el cohete col·locat en la part superior de la base de llançament (com es visualitza en el vídeo) es pedalea l’inflador fins a assolir 30 PSI, s’accionarà el llançador baixant la peça de PVC (on la indica la fletxa) i es produeix el despegue (ver video).

Des del cohete en vol, el sistema simultàniament comença a emmagatzemar els dades recol·lectats en la memòria SD interna com a enviar-los a la computadora. Dichos datos serán procesados en la computadora en un libro de Excel tomando como referencia la información guardada en la memoria.

Pas 8: Anàlisi de les dades recol·lectades

Finalitzat el vol del cohete, podem realitzar diverses tareas, entre altres:

- Utilitzar les variacions de pressió per determinar l’altitud assolida pel cohete.

- Identificar la concentració de monòxid de carboni a l’aire.

Amb aquesta finalitat, es va concloure l’aterrizaje del cohete se introduce la memoria del sistema de telemetría en la computadora. Ara trobem un arxiu “datalogger.txt” del qual copiamos les dades. Dicha informació la pegamos en la hoja de Excel llamada “Análisis de datos”. Després d’haver pegat els dades a la pestaña de Inicio buscamos la función de Reemplazar, cambiamos el punto por el coma y damos click en la opción Reemplazar todos.

Una vegada descarregada la hoja, salarem dos quadres, una denominada “Medicions sense processar”, on es pega la informació recogida i l’altra anomenada “Medicions processades”, en el qual es registra la concentració de monòxid de carboni (CO) en parts per millón (ppm), l’acceleració en cada un dels eixos (g), l’altitud (msnm) i l’angle amb respecte als eixos “x” i “y”. A més, més baix, en el mateix document, es desplaça dos gràfics, un sobre la concentració de CO en funció de l’alçada i un altre de l’alçada en funció del temps. A la següent pàgina es descarrega l'arxiu d'Excel ("Anàlisi de dades").

Amb el processament de contes de dades, finalment, podem definir el possible impacte tòxic per a l’ambient. Això perquè el monòxid de carboni és un gas incolor, inolorat i insípit, el que reflecteix la seva dificultat per ser detectat, per lo que -con l'ajut de aquestes medicions- podem identificar llocs on la seva concentració és major.

Per a més informació sobre el tema, poden visitar les següents pàgines:

- Reglament sobre la qualitat de l’aire a Costa Rica

www.digeca.go.cr/sites/default/files/reglam…

- Otra informació complementària:

www.estadonacion.or.cr/files/biblioteca_vir…

www.ministeriodesalud.go.cr/index.php/noti…

Es coneix que aquest compost químic afecta tant als seres humans com a la flora i la fauna i si bé és cert que també és més comú localitzar en la superfície de la terra, la seva detecció és poc freqüent en altres altituds, on podria ser major incidència en animals que habitualment ocupen aquests espais, com ocurrir –por exemple- amb les aves. A més, la telemetría no permetrà valorar si les concentracions de CO són constants, independentment de l’altitud; o si, per l’oposat, es presenten variacions conformes a l’alçada assolida i a la trayectoria del cohete.